CN102720597B - 发动机均质压燃与传统燃烧联合运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了发动机均质压燃与传统燃烧联合运行装置及装置，该装置包括均质压燃工作气缸组、传统燃烧工作气缸组和机械增压器，机械增压器的出气端与进气总管进口相连，进气总管的出口端分别与第一和第二进气支管进口端相连，在第一和第二进气支管的进口端分别安装有第一、第二机械增压控制阀，第一和第二进气支管的出口端分别与均质压燃工作气缸组、传统燃烧工作气缸组的进气口相连，均质压燃工作气缸组、传统燃烧工作气缸组的废气排出口分别与第一、二排气管的进口相连，在第一排气、进气支管上装有第一涡轮增压器，在第二排气、进气支管上装有第二涡轮增压器。本装置和方法显著拓宽HCCI运行工况范围，最大化HCCI高效清洁燃烧的优势。

Description

发动机均质压燃与传统燃烧联合运行方法

技术领域

本发明涉及内燃机领域，特别涉及一种通过分缸控制实现发动机均质压燃与传统燃烧联合运行的燃烧模式和控制方法。

背景技术

均质压燃(HCCI)是指燃料、空气及再循环燃烧产物所形成的预混合气被活塞压缩、自燃、着火、做功的过程。在内燃机尾气排放和二氧化碳排放法规越来越严格和全球能源短缺背景下，HCCI不但能获得极低的氮氧化物和微粒排放，而且还可以获得比柴油机更高的热效率，因此被认为是传统压燃点火(CI)和火花点燃(SI)内燃机未来的替代燃烧方式。

均质压燃多点自燃的特点提高燃烧反应速度，减少燃烧持续期，使燃烧过程更接近理想定容燃烧，从而有效改善发动机热效率。但是在大负荷工况下，过快的燃烧反应速度引起爆震燃烧，限制了HCCI发动机大负荷运行工况范围。另一方面，在怠速和小负荷工况，缸内燃烧温度较低，很难形成稳定的自燃着火条件，使HCCI发动机在怠速和小负荷工况容易出现失火现象。因此HCCI目前最大难点在于不能在发动机的全部工况下稳定运行。

为了解决HCCI不能在内燃机全工况下运行的问题，目前采用的方法是HCCI模式和传统燃烧模式相结合的双模式运行方式。即在HCCI可以运行的工况下采用HCCI燃烧模式，在小负荷和大负荷下采用传统燃烧模式。目前采用的双模式运行方式主要存在2个问题：第一，在内燃机结构和控制策略上需要兼顾传统燃烧模式和HCCI模式的燃烧特性，限制HCCI燃烧过程的优势。例如在SI-HCCI双模式发动机中，为了兼顾SI燃烧特性，限制了发动机的压缩比，也就降低了HCCI运行工况的最高热效率；在CI-HCCI双模式发动机中，为了兼顾CI燃烧特性，限制了对发动机喷油器和燃烧室结构的改造，从而减少了HCCI可以运行的工况范围。第二，目前双模式运行方式在传统燃烧模式与HCCI模式切换的过程中需要在几个着火循环内完成，平顺快速的燃烧模式切换显著增加了发动机控制系统的复杂性。

已有技术中，专利公开号为US2005183693-A1的美国专利提出通过进排气门相位控制实现HCCI/SI双模式运转；专利公开号为US2009229563-A1和US2009095250-A1的美国专利提出应用进排气门升程控制，结合喷油策略等方式来实现HCCI/SI双模式运转；专利公开号为CN 101016868A和CN101070791A的中国专利提出应用全可变气门装置(即进排气门相位和升程均可变)和相应的控制方法来实现HCCI/SI双模式运转。这些发明实现了均质压燃与传统火花点火燃烧双模式运行，但由于考虑SI燃烧模式发动机结构和控制参数需求，限制了均质压燃运行工况范围；而且不同燃烧模式转换过程涉及到复杂的气门控制策略、燃油喷射策略以及空气管理策略等控制参数。另一方面，针对CI-HCCI双模式发动机，在FUEL杂志(90(4):1449–1456,2011；86(17–18):2871–2880,2007)和SAE会议(SAE 2002-01-1744)发表的研究论文表明，使用窄角喷油器可以避免柴油机早喷HCCI引起的汽缸套湿壁现象，较传统喷油器获得更高的平均有效压力。但是，当发动机在高负荷下运行在传统燃烧模式时，窄角喷油器导致燃油与燃烧室壁面碰撞，部分燃料沉积在燃烧室内使碳烟排放显著提高，经济性恶化。因此，窄角喷油器的改造给柴油机喷射策略和燃烧室结构设计提出了很大挑战。可见，CI-HCCI双模式发动机，由于都是压缩自燃，其燃烧模式转换相对容易，但在拓展HCCI运行工况范围上，针对HCCI进行的结构改造和控制策略往往会导致发动机传统燃烧模式下的性能恶化。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种有效拓宽均质压燃运行工况范围，更平顺、更简单的实现均质压燃与传统燃烧联合运行过程，从而获得更好的燃油经济性和更低的氮氧化物和微粒排放的发动机均质压燃与传统燃烧联合运行方法。

本发明的发动机均质压燃与传统燃烧联合运行方法，它包括以下步骤：

(1)控制单元分别读取安装在发动机曲轴上的传感器的转速信号、安装在油门踏板上的传感器的发动机负荷信号并根据所述的转速信号和发动机负荷信号判断发动机是运行在启动、小负荷、中负荷的工况还是运行在大负荷或高转速的工况；

(2)如果步骤(1)中的判断结果为启动、小负荷的工况，则所述的控制单元向安装在发动机进气管路上的第二机械增压控制阀发出打开信号，传统燃烧工作气缸组起动运转，机械增压器与第二涡轮增压器联合运行为传统燃烧工作气缸组供给增压空气；

(3)如果步骤(1)中的判断结果为从小负荷转向中负荷的工况，则所述的控制单元向安装在发动机进气管路上的第一机械增压控制阀发出打开信号，均质压燃工作气缸组起动运转，机械增压器与第一涡轮增压器联合运行为均质压燃工作气缸组供给增压空气；待均质压燃工作气缸组稳定运行后，所述的控制单元向第二机械增压控制阀发出关闭信号，传统燃烧工作气缸组和第二涡轮增压器停止工作，机械增压器只向均质压燃工作气缸组提供增压；

(4)如果步骤(1)中的判断结果为发动机运行在大负荷或高转速下，则所述的控制单元向安装在发动机进气管路上的第二机械增压控制阀发出打开信号，传统燃烧工作气缸组和第二涡轮增压器开始运转工作，机械增压器和第二涡轮增压器联合运行向传统燃烧工作气缸组供给增压空气，待传统燃烧工作气缸组稳定运行后，所述的控制单元向安装在发动机进气管路上的第一机械增压控制阀发出关闭信号，均质压燃工作气缸组和第一涡轮增压器停止工作，发动机运行在传统燃烧模式下。

与现有技术相比，本发明具有如下三方面优势：

第一，单独控制HCCI工作气缸组，不用考虑与传统燃烧的兼顾性，可以通过增压、废气再循环、压缩比、燃烧室结构、喷油策略等参数的合理优化控制，显著拓宽HCCI运行工况范围，最大化HCCI高效清洁燃烧的优势。

第二，分缸控制提供一个燃烧模式转换的过渡区，在过渡区内由之前运转的工作气缸组协助另一半准备投入运转的气缸组进行工作，保证传统燃烧与均质压燃之间(或均质压燃与传统燃烧之间)简单平顺的燃烧模式切换。降低传统多缸机在不同燃烧模式之间转换的复杂性和控制难度。

第三，提出的联合多增压系统可以使分缸燃烧发动机在满足很好动力性要求的前提下，获得更高的燃烧热效率。

附图说明

图1是本发明的发动机均质压燃与传统燃烧联合运行装置结构示意图；

图2是本发明的发动机均质压燃与传统燃烧联合运行方法控制原理图；

图3是均质压燃与传统燃烧联合运行工况示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

作为本发明的一种实施方式，如附图所示的本发明的发动机均质压燃与传统燃烧联合运行装置，它包括均质压燃工作气缸组1、传统燃烧工作气缸组2和机械增压器5，所述的机械增压器的出气端与进气总管进口相连，所述的进气总管的出口端分别与第一和第二进气支管进口端相连，在所述的第一和第二进气支管的进口端分别安装有第一、第二机械增压控制阀6、7，所述的第一和第二进气支管的出口端分别与均质压燃工作气缸组1、传统燃烧工作气缸组2的进气口相连，所述的均质压燃工作气缸组、传统燃烧工作气缸组的废气排出口分别与第一、二排气管的进口相连，在所述的第一排气管和第一进气支管上装有第一涡轮增压器3，在所述的第二排气管和第二进气支管上装有第二涡轮增压器4。

本发明的发动机均质压燃与传统燃烧联合运行方法，它包括以下步骤：(1)控制单元分别读取安装在发动机曲轴上的传感器的转速信号、安装在油门踏板上的传感器的发动机负荷信号并根据所述的转速信号和发动机负荷信号判断发动机是运行在启动、小负荷、中负荷的工况还是运行在大负荷或高转速的工况；(2)如果步骤(1)中的判断结果为启动、小负荷的工况，则所述的控制单元向安装在发动机进气管路上的第二机械增压控制阀发出打开信号，传统燃烧工作气缸组2起动运转，机械增压器5与第二涡轮增压器4联合运行为传统燃烧工作气缸组2供给增压空气；(3)如果步骤(1)中的判断结果为从小负荷转向中负荷的工况，则所述的控制单元向安装在发动机进气管路上的第一机械增压控制阀发出打开信号，均质压燃工作气缸组1起动运转，机械增压器5与第一涡轮增压器3联合运行为均质压燃工作气缸组1供给增压空气；待均质压燃工作气缸组稳定运行后，所述的控制单元向第二机械增压控制阀7发出关闭信号，传统燃烧工作气缸组2和第二涡轮增压器4停止工作，机械增压器5只向均质压燃工作气缸组1提供增压；(4)如果步骤(1)中的判断结果为发动机运行在大负荷或高转速下，则所述的控制单元向安装在发动机进气管路上的第二机械增压控制阀7发出打开信号，传统燃烧工作气缸组2和第二涡轮增压器4开始运转工作，机械增压器5和第二涡轮增压器联合运行向传统燃烧工作气缸组2供给增压空气，待传统燃烧工作气缸组2稳定运行后，所述的控制单元向安装在发动机进气管路上的第一机械增压控制阀发出关闭信号，均质压燃工作气缸组1和第一涡轮增压器3停止工作，发动机运行在传统燃烧模式下。

实施例1

(1)控制单元分别读取安装在发动机曲轴上的传感器的转速信号、安装在油门踏板上的传感器的发动机负荷信号并根据所述的转速信号和发动机负荷信号判断发动机是运行在启动、小负荷、中负荷的工况还是运行在大负荷或高转速的工况；(2)如果步骤(1)中的判断结果为启动、小负荷的工况，则所述的控制单元向安装在发动机进气管路上的第二机械增压控制阀发出打开信号，传统燃烧工作气缸组2起动运转，机械增压器5与第二涡轮增压器4联合运行为传统燃烧工作气缸组2供给增压空气；(3)如果步骤(1)中的判断结果为从小负荷转向中负荷的工况，则所述的控制单元向安装在发动机进气管路上的第一机械增压控制阀发出打开信号，均质压燃工作气缸组1起动运转，机械增压器5与第一涡轮增压器3联合运行为均质压燃工作气缸组1供给增压空气；待均质压燃工作气缸组稳定运行后，所述的控制单元向第二机械增压控制阀7发出关闭信号，传统燃烧工作气缸组2和第二涡轮增压器4停止工作，机械增压器5只向均质压燃工作气缸组1提供增压；(4)如果步骤(1)中的判断结果为发动机运行在大负荷或高转速下，则所述的控制单元向安装在发动机进气管路上的第二机械增压控制阀7发出打开信号，传统燃烧工作气缸组2和第二涡轮增压器4开始运转工作，机械增压器5和第二涡轮增压器联合运行向传统燃烧工作气缸组2供给增压空气，待传统燃烧工作气缸组2稳定运行后，所述的控制单元向安装在发动机进气管路上的第一机械增压控制阀发出关闭信号，均质压燃工作气缸组1和第一涡轮增压器3停止工作，发动机运行在传统燃烧模式下。

经检验：本发明发动机均质压燃与传统燃烧联合运行装置可以有效拓宽均质压燃运行工况范围、满足发动机动力性需求、不同燃烧模式的转换过程更平顺、更简单；同时发动机综合燃油经济性改善10％-20％，实现了更低的氮氧化物和微粒排放。

Claims (1)

1.发动机均质压燃与传统燃烧联合运行方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)控制单元分别读取安装在发动机曲轴上的传感器的转速信号、安装在油门踏板上的传感器的发动机负荷信号并根据所述的转速信号和发动机负荷信号判断发动机是运行在启动、小负荷、中负荷的工况还是运行在大负荷或高转速的工况；

(2)如果步骤(1)中的判断结果为启动、小负荷的工况，则所述的控制单元向安装在发动机进气管路上的第二机械增压控制阀发出打开信号，传统燃烧工作气缸组起动运转，机械增压器与第二涡轮增压器联合运行为传统燃烧工作气缸组供给增压空气；

(3)如果步骤(1)中的判断结果为从小负荷转向中负荷的工况，则所述的控制单元向安装在发动机进气管路上的第一机械增压控制阀发出打开信号，均质压燃工作气缸组起动运转，机械增压器与第一涡轮增压器联合运行为均质压燃工作气缸组供给增压空气；待均质压燃工作气缸组稳定运行后，所述的控制单元向第二机械增压控制阀发出关闭信号，传统燃烧工作气缸组和第二涡轮增压器停止工作，机械增压器只向均质压燃工作气缸组提供增压；

(4)如果步骤(1)中的判断结果为发动机运行在大负荷或高转速下，则所述的控制单元向安装在发动机进气管路上的第二机械增压控制阀发出打开信号，传统燃烧工作气缸组和第二涡轮增压器开始运转工作，机械增压器和第二涡轮增压器联合运行向传统燃烧工作气缸组供给增压空气，待传统燃烧工作气缸组稳定运行后，所述的控制单元向安装在发动机进气管路上的第一机械增压控制阀发出关闭信号，均质压燃工作气缸组和第一涡轮增压器停止工作，发动机运行在传统燃烧模式下。